熔體表面張力的研究

劉干平 談梅英 李劉旒

摘 要：表面張力是熔體表面層由于質(zhì)點(diǎn)作用力不均衡而產(chǎn)生的使熔體表面收縮的力。本文對(duì)龍泉窯梅子青釉進(jìn)行了熔融實(shí)驗(yàn)、釉滴實(shí)驗(yàn)和燒成實(shí)驗(yàn)，通過觀察實(shí)驗(yàn)過程中釉熔體的變化及對(duì)比燒成后制品的外觀質(zhì)量，闡述了表面張力對(duì)釉熔體表面形狀的影響、表面張力和重力相對(duì)大小對(duì)釉滴形狀的影響，以及表面張力對(duì)燒成制品外觀質(zhì)量的影響，并對(duì)表面張力的作用原理進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：熔體;表面張力;質(zhì)點(diǎn);球面;應(yīng)力;斥力

陶瓷作品從原始的表面粗糙、凹凸不平的上釉泥坯，通過燒制，變成一件精美絕倫、表面平整、光滑亮麗的藝術(shù)品，期間表面張力起著至關(guān)重要的作用。陶瓷在燒制過程中，隨著溫度的升高，胎和釉逐漸出現(xiàn)液相并不斷增多，最終胎體燒結(jié)，釉層熔融轉(zhuǎn)化為熔體。由于熔體的表面張力作用，使得組成熔體的質(zhì)點(diǎn)不斷的擴(kuò)散和移動(dòng)，最終達(dá)到力和位移的平衡，從而使釉層表面得以平整光滑。

表面張力是熔體表面層由于質(zhì)點(diǎn)作用力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。與氣體接觸的熔體表面質(zhì)點(diǎn)因其配位數(shù)未得到滿足，處于不對(duì)稱的力場(chǎng)內(nèi)。質(zhì)點(diǎn)間作用力不平衡，比熔體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)具有較高的能量，熔體表面將自動(dòng)收縮以降低過剩能量。熔體表面的這種自動(dòng)收縮的趨勢(shì)，相當(dāng)于在熔體表面水平方向上存在著使熔體表面收縮的力，即表面張力［1］。

熔體的表面張力大小取決于化學(xué)組成、燒成溫度和燒成氣氛。在化學(xué)組成中，堿金屬對(duì)表面張力影響較大，熔體的表面張力隨堿金屬及堿土金屬半徑的增大而減少，熔體表面張力隨溫度的提高而降低；此外，窯內(nèi)氣氛對(duì)熔體表面張力也有影響，在還原氣氛下的表面張力比在氧化氣氛下大20%左右［2］。

釉熔體的表面張力對(duì)釉的外觀質(zhì)量影響很大。表面張力使得釉熔體表面發(fā)生收縮，下面的新熔體就會(huì)浮向表面，利于釉中氣泡上浮排出，但表面張力過大會(huì)阻礙氣泡排除和熔體均化，在高溫時(shí)對(duì)坯的潤濕性不利，容易造成縮釉、滾釉缺陷［3］。表面張力過小容易造成流釉，使釉面小氣泡破裂時(shí)形成難以彌補(bǔ)的針孔［4］。當(dāng)釉的黏度也很小時(shí)，情況更嚴(yán)重。

本文通過龍泉青瓷梅子青釉的燒制實(shí)驗(yàn)，觀察釉熔體的變化過程，并推斷其變化過程與表面張力的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 坯釉組成

龍泉梅子青釉的釉料配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：西源瓷土45%、黃壇瓷土20%、獅子籠紫金土3%、石灰石22%、石英10%［5］。該釉配方原料取自龍泉本地瓷土，適用性廣、穩(wěn)定性好、燒成溫度范圍寬，其化學(xué)組成見表1。

1.2 釉料制作

將各配釉原料混合，得到預(yù)混物，將球石、預(yù)混物、水以質(zhì)量比2∶1∶0.6的比例進(jìn)行濕法球磨，研磨18～20 h，然后過100～200目篩，制成釉漿。

1.3 熔融實(shí)驗(yàn)

把磨好的釉料制成2 cm×2 cm×3 cm正四棱柱試樣，置于窯門洞口內(nèi)，借助于高溫顯微鏡可連續(xù)觀察其在加熱過程中的全部變化。

本次實(shí)驗(yàn)采用還原氣氛進(jìn)行燒制，實(shí)驗(yàn)最高燒成溫度為1 270 ℃，氧化和還原氣氛轉(zhuǎn)換溫度為980 ℃，圖1為燒成曲線圖。

1.4 釉滴實(shí)驗(yàn)

把磨好的釉料制成一系列球體，直徑分別為32、16、8、4、2、1、0.5 mm，置于龍泉白泥制成的薄板上。入窯按圖1燒成制度進(jìn)行燒制，觀察燒成后各釉滴的形狀和尺寸以及釉滴與薄板之間的潤濕角大?。?］。

1.5 燒成試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)胎體選用龍泉本地的朱砂泥制作的小圓杯，朱砂胎配以梅子青釉能夠達(dá)到紫口鐵足和朱砂底的效果。

首先采用浸釉法上底釉，然后在底釉的基礎(chǔ)上進(jìn)行噴釉，確保釉層厚度達(dá)到1～2 mm，施釉完成后刮洗干凈素坯的底足。

把上好釉的小杯置于窯門洞口內(nèi)，便于觀察胎釉在加熱過程中的變化。按圖1燒成制度進(jìn)行燒制，分別進(jìn)行氧化氣氛燒制和還原氣氛燒制，燒成溫度由熔融試驗(yàn)得到的結(jié)果確定。觀察燒成制品的外觀形狀及氣泡分布情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面張力對(duì)釉熔體表面形狀的影響

通過對(duì)釉料熔融實(shí)驗(yàn)的觀察可以看到，隨著溫度升高，低共融物產(chǎn)生，試樣出現(xiàn)液相，逐漸變?yōu)槿垠w。四棱柱試樣最先變形的部位為頂部角點(diǎn)。由于角點(diǎn)是四棱柱曲率最大的部位（7/8的表面與空氣接觸），表面張力最大，表面能高，由表面張力產(chǎn)生的指向熔體內(nèi)部的附加壓力也最大，因此角點(diǎn)最先熔融變圓，此時(shí)試樣所處的溫度（1 180 ℃），稱為釉的始熔溫度，釉層開始封閉，如圖2b所示。隨著溫度繼續(xù)升高，四棱柱的棱邊也開始熔融變圓，棱邊也是曲率較大的部位（3/4的表面與空氣接觸）。最后，四棱體的各個(gè)平面開始熔融變圓（1/2的表面與空氣接觸），整個(gè)試樣由于表面張力的作用變?yōu)榘肭驙?，此時(shí)的溫度（1 260 ℃）稱為全熔溫度，如圖2c所示，形成平整、光滑的釉面。釉層雖然處于黏性流動(dòng)狀態(tài)，但黏度較大不至于流淌，因此接近于釉的成熟溫度。溫度繼續(xù)升高，試樣流散開來，高度降至原有高度的1/3時(shí)的溫度（1 300 ℃）稱為流動(dòng)溫度，見圖2d。此時(shí)由于溫度升高，熔體表面張力減小，同時(shí)釉熔體黏度降低，受重力作用熔體會(huì)產(chǎn)生自然流淌，熔體表面由球面變?yōu)闄E球面［4］。

2.2 表面張力和重力對(duì)釉滴表面形狀的綜合影響

通過對(duì)燒成后各釉滴的形狀觀察，可以看出：對(duì)于大直徑的釉滴，重力的影響大于表面張力的影響，致使其形狀呈扁平的球冠狀，與薄板的潤濕角小于90°；中等直徑的釉滴所受重力和表面張力較為均衡，其形狀為半球狀，與薄板的潤濕角約等于90°；小直徑的釉滴所受重力小于表面張力，其形狀接近于球形，與薄板的潤濕角大于90°，甚至接近于180°。

2.3 表面張力對(duì)青瓷制品釉面質(zhì)量的影響

龍泉青瓷的燒制結(jié)果見表2。

龍泉青瓷在燒制過程中，隨著溫度的升高，由于表面張力的作用，杯子表面質(zhì)點(diǎn)不斷移動(dòng)和擴(kuò)散，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，使熔體均勻化，釉層表面凹凸不平得以自發(fā)修復(fù)，逐漸呈現(xiàn)平整、光滑、發(fā)亮的狀態(tài)。最先圓潤、發(fā)亮的部位是杯子的口沿，這是因?yàn)楸涌谘氐那首畲?，所受表面張力最大，由表面張力產(chǎn)生的指向熔體內(nèi)部的附加壓力也最大。

采用氧化氣氛燒成時(shí)，釉層表面平整、光滑，氣泡密集、細(xì)小、分布均勻、釉呈米黃色、乳濁、見針眼和凹陷，小杯邊沿釉層覆蓋比較單薄。采用還原氣氛燒成時(shí)，釉層表面平整、圓潤、光滑，氣泡較密集、較細(xì)小、分布均勻、釉呈梅子青色、乳濁，不見針眼和凹陷，小杯邊沿釉層覆蓋比較飽滿。對(duì)比氧化氣氛和還原氣氛燒成結(jié)果，其不同之處在于表面張力的作用效果不同，在還原氣氛下的表面張力比在氧化氣氛下大20%左右。氧化氣氛下燒制出現(xiàn)的針孔和凹陷現(xiàn)象，在還原氣氛下燒制，由于表面張力的增大，得以自動(dòng)補(bǔ)平。對(duì)于小杯邊沿氧化氣氛燒制釉層覆蓋較薄，使得氣泡易于排出，氣泡數(shù)量較少，尺寸較大。還原氣氛燒制釉層覆蓋較為飽滿，氣泡數(shù)量變多，尺寸變小，這是因?yàn)檠趸瘹夥諢菩”呇厣嫌运苤亓Υ笥诒砻鎻埩?，使得釉層變薄，還原氣氛燒制釉層所受到的表面張力變大而所受重力不變，使得小杯邊沿釉層覆蓋相對(duì)變厚。至于燒成制品氣泡的數(shù)量和大小，影響因素涉及胎和釉的組成、胎和釉中氧化鐵的含量、釉的高溫黏度、表面張力、釉的厚度，以及燒成溫度和燒成氣氛，表面張力只是其中的一項(xiàng)。表面張力能使釉熔體中的大氣泡變得更大更容易排出，而對(duì)于小氣泡則變小甚至溶解于釉中而消失。

3 分析和討論

由熔體作用力理論可知，組成熔體的質(zhì)點(diǎn)間存在著作用力。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)處于平衡位置時(shí)，即質(zhì)點(diǎn)間距r=r0（r0=10-10）時(shí)，引力等于斥力，質(zhì)點(diǎn)間作用力為0；質(zhì)點(diǎn)間距r＞r0，作用力為引力；質(zhì)點(diǎn)間距r＜r0，作用力為斥力；當(dāng)質(zhì)點(diǎn)間距r＞10r0時(shí)，引力和斥力均為0，如圖3所示。

如果以質(zhì)點(diǎn)中心為圓心，10r0為半徑作一球面，顯然只有在這個(gè)球面內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)才對(duì)位于球心上的質(zhì)點(diǎn)有作用力。熔體的表面層厚度等于質(zhì)點(diǎn)作用球半徑的一層，在表面層內(nèi)熔體質(zhì)點(diǎn)受力的情況跟熔體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)的受力情況有所不同。由圖4可見，位于熔體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)A受到周圍對(duì)稱分布的質(zhì)點(diǎn)的作用，其合力為0。熔體表面層質(zhì)點(diǎn)上下分布對(duì)稱性被打破，處于表層內(nèi)的熔體質(zhì)點(diǎn)B、C和D都受到了一個(gè)指向熔體內(nèi)部的力的作用從而向熔體內(nèi)部移動(dòng)，使得質(zhì)點(diǎn)間距離減小，引力轉(zhuǎn)化為斥力，最終到達(dá)平衡狀態(tài)。在平行熔體表面的方向，熔體表面層內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)分布是均勻的，只是間距比較大，質(zhì)點(diǎn)間作用力表現(xiàn)為引力，這便是熔體的表面張力。由于表面張力的作用，質(zhì)點(diǎn)之間的距離減小，使得熔體表面積減小，而一定體積的熔體中球體的表面積最小，所以熔體表面有形成球面的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)會(huì)受重力的影響而改變。重力是所有組成熔體的質(zhì)點(diǎn)所受的力的合力，而表面張力只是表面一層質(zhì)點(diǎn)間的引力，表面張力相對(duì)于重力而言微乎其微，所以對(duì)于大體積的熔體，重力作用遠(yuǎn)大于表面張力作用，液面呈現(xiàn)平面。對(duì)于小體積熔體來說，組成熔體總的質(zhì)點(diǎn)數(shù)較少，表面張力已接近重力，甚至超過重力，使得液面呈現(xiàn)弧形甚至球形。上述的釉滴實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)這點(diǎn)。

如果熔體表面是凸面，如圖5b所示，因表面張力沿周界與熔體面相切，則沿周界各個(gè)方向的表面張力f將產(chǎn)生一個(gè)指向熔體內(nèi)部的合力p（正壓力），使得熔體表面曲率變小。如果液面是凹面，如圖5c所示，表面張力的合力將指向熔體外部，對(duì)熔體則產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓力，使得凹面變平，甚至有可能轉(zhuǎn)化為凸面。由于表面張力的作用，熔體表面能夠截凸補(bǔ)凹，自動(dòng)修復(fù)，表面平滑，這正是陶瓷釉層表面能夠平整光滑的主要原因。

4 結(jié)論

1）表面張力是熔體表面層由于質(zhì)點(diǎn)作用力不均衡而產(chǎn)生的使熔體表面收縮的力。

2）由于表面張力的作用，熔體表面有形成球面的趨勢(shì)，只是由于重力的作用使得這種趨勢(shì)

得以改變。熔體最終呈現(xiàn)的形狀和熔體體積的大小有關(guān)系，熔體體積的大小不同，則表面張力和重力的影響程度不同。大體積的熔體，表面張力遠(yuǎn)小于重力作用，使得熔體表面呈平面狀。小體積的熔體，表面張力大于重力作用，熔體表面呈弧形甚至球形。

3）陶瓷在燒制過程中，由于表面張力的作用，熔體表面質(zhì)點(diǎn)不斷移動(dòng)和擴(kuò)散，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，使熔體均勻化，釉層表面凹凸不平得以自發(fā)修復(fù)，逐漸呈現(xiàn)平整、光滑、發(fā)亮的狀態(tài)。

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（責(zé)任編輯：姚佳良）